DE19600888A1

DE19600888A1 - Behälter mit einer Einrichtung zum Bestimmen der Füllmenge des Behälters

Info

Publication number: DE19600888A1
Application number: DE1996100888
Authority: DE
Inventors: Heinz Klemp; Hugo Westerkamp
Original assignee: SICAN GmbH
Current assignee: KLEMP, HEINZ, 30916 ISERNHAGEN, DE WESTERKAMP, HUG
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2016-01-13
Also published as: DE19600888C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Behälter mit einer Einrichtung zum Bestimmen der Füllmenge des Behälters.

In vielen Bereichen besteht ein Bedarf, den Füllstand von Behältern, insbesondere von geschlossenen Behältern, zu erfassen und anzuzeigen. In industriellen Großanlagen werden hierzu Optische-, Ultraschall-, Mikrowellen- und andere Meß verfahren für entsprechende Behälter eingesetzt. Diese Ver fahren sind jedoch sehr aufwendig und teuer.

Vor allem im Bereich "Konsumer" besteht ein großer Bedarf an geeigneten Füllstandsmeßsystemen für unterschiedlichste Anwendungen, die eine sehr kostengünstige Lösung erfordern. Hierbei soll der Füllstand von z. B. Thermoskannen, Bier fässern, Gasflaschen etc. ermittelt werden. Bei einer der artigen Thermoskanne ist bis lang die Erfassung des Füllstands nur durch Anheben, Öffnen, Schütteln etc. möglich. Aufgrund des konstruktiven Aufbaus kann auch kein Sichtfenster vorge sehen werden.

Die Ermittlung der Füllmenge kann über das Behältergewicht und eine gewichtsproportionale Längenänderung mit Dehnungs meßstreifen durchgeführt werden. Dehnungsmeßstreifen bewirken bei einer Längenänderung eine Widerstandsänderung, die mit einer geeigneten Schaltung ausgewertet werden kann. Der Nach teil derartiger Sensoren liegt darin, daß diese niederohmig sind und daher einen hohen Strom erfordern. Der resultierende Energiebedarf ist für die hauptsächlich durch Batterie bzw. Akkus versorgten Behälter zu hoch.

Denkbar wäre auch die Erfassung des Behältergewichts mit Foliendrucksensoren, die ebenfalls eine Widerstandsänderung bewirken. Nachteilig ist hierbei eine auftretende Drift des Widerstands in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Zeit. Diese Sensoren kommen somit bei Behältern, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, nicht in Betracht.

Es wäre auch denkbar, Keramiksensoren einzusetzen. Das Meß prinzip beruht dabei auf einer Änderung der Kapazität. Diese Sensoren sind bislang für den Einsatz im genannten Bereich erheblich zu teuer.

Auch die übrigen genannten Sensoren kommen vor allem in Hin blick auf die Anwendung im Konsumerbereich aus Kostengründen nicht in Betracht.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Behälter mit einer Einrichtung zum Bestimmen der Füllmenge des Behälters, beste hend aus einem Rumpf, der Füllgut umschließt, und einem Element zum Tragen des Rumpfs, anzugeben, wobei die Ein richtung zum Bestimmen der Füllmenge geringe Anforderung an die Auswerteelektronik stellt und kostengünstig realisiert werden sollte.

Erfindung

Die Aufgabe wird durch die Erfindung nach Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Festlegung, daß der Füllstand über das Gewicht des Behälters ermittelt wird. Der Rumpf und das Tragelement sind zueinander mit mindestens einem Lager element beweglich befestigt. Dadurch, daß das Lagerelement eine Bewegung zulassen muß, erfolgt durch die Eigenschaften des Lagerelements eine definierte Änderung des Abstands zwischen dem Rumpf und dem Tragelement. Erfindungsgemäß wird jeweils eine Elektrode an dem Behälter und dem Rumpf ange bracht, die zueinander so ausgerichtet sind, daß sie einen Kondensator bilden. Die Elektroden sind dabei so angeordnet, daß die Abstandsänderung zwischen Rumpf und Tragelement eine Änderung der Kapazität bewirkt.

Der Vorteil des Zusammenwirkens des Lagerelements mit dem durch die Elektroden gebildeten Kondensator besteht in der einfachen Fertigung und dem im Vergleich zu handelsüblichen Sensorelementen niedrigeren Herstellungskosten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Mit einer Auswerteschaltung nach Anspruch 4 oder 5 ist es mit geringem Schaltungsaufwand möglich, die Kapazität des durch die Elektroden gebildeten Kondensators und damit die Füll menge des Behälters zu bestimmen.

Besonders vorteilhafte Anwendungen der Erfindung sind mit dem Behälter nach Anspruch 7 denkbar. Indem die Meßsignale mit kostengünstigen Sende- und Empfangsbausteinen an eine externe Stelle übermittelt wird, kann die Steuerung des Zu- bzw. Ab flusses des Füllguts oder die Auswertung der Füllmenge extern erfolgen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird durch die Zeichnungen und die Ausführungs beispiele verdeutlicht. Es zeigen:

Fig. 1 Thermoskanne mit Tragelementen und Ringelektroden;

Fig. 2 Ausschnitt der Thermoskanne mit dem Tragelement, dem Lagerelement und den Elektroden;

Fig. 3 Blockschaltbild eines Elektronikmoduls zur Auswertung der Elektrodenkapazität und der sich daraus ergeben den Füllmenge.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird für eine besondere Anwendung, der Füll mengenbestimmung bei Thermoskannen, erläutert. Fig. 1 zeigt eine verschließbare Thermoskanne mit einem zumindestens am Boden kreisförmigen Rumpf (1). Ein Schraubgewinde (2) am Boden des Rumpfs (1) dient dazu, die Elemente der Einrichtung zur Füllmengenbestimmung zu befestigen und eine einfache Montage der Thermoskanne zu ermöglichen. Die Kanne hat im Inneren einen doppelwandigen Glaseinsatz (3) mit innerer Metallisierung. Er erfüllt damit die Anforderungen hoher Iso lierung. Der Glaseinsatz (3) ist mit einer Gummidichtung (4) gedämpft gelagert.

Der Rumpf (1) steht auf Tragelementen (5). Mindestens ein Tragelement (5) ist über ein Lagerelement (6), das als Druck feder ausgeführt ist, beweglich gelagert. In der Ausführungs form ist ein Führungsbolzen (7) zwischen der Druckfeder (6) vorgesehen, durch den eine Bewegung des Rumpf (1) zu dem Tragelement (5) in vertikaler Richtung festgelegt ist. Durch die Druckfeder (6) wird der Rumpf (1) von dem auf einer Trag fläche stehenden Tragelement (5) in vertikaler Richtung nach oben gedrückt.

Zwischen dem Tragelement (5) und der Druckfeder (6) bzw. dem Führungsbolzen (7) ist eine erste Ringelektrode (8) ange bracht, die sich um den gesamten Umfang der Thermoskanne erstreckt. Diese Ringelektrode (8) kann z. B. eine dünne Blechscheibe oder ein metallisierter Kunststoffring sein. Auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Ringelektrode (8) ist eine zweite Ringelektrode (9) an einer Verschlußplatte (10) angebracht, die fest mit dem Rumpf (1) über das Schraub gewinde (2) verschraubt und damit ein fester Bestandteil des Rumpfs (1) ist. Die Tragelemente (5) werden über einen Sockelring (11), der mit dem Schraubgewinde an den Rumpf (1) geschraubt ist, beweglich zu dem Rumpf (1) getragen.

Die zwei Ringelektroden (8, 9) sind somit über die vertikale Verschieblichkeit des Tragelements (5) in bezug auf den Rumpf (1) über die Druckfeder (6) ebenfalls vertikal zueinander verschieblich. Durch eine Gewichtserhöhung bewegt sich der Rumpf (1) relativ zu dem Tragelement (5) vertikal nach unten. Dadurch wird der Abstand zwischen den Ringelektroden (8, 9) erhöht, wodurch sich die Kapazität zwischen den beiden Ringelektroden (8, 9) verkleinert.

Die Kapazität wird über ein Elektronikmodul (12) ausgewertet, das in den Rumpf (1) der Thermoskanne an geeigneter Stelle eingebaut wird. Die Stromversorgung der Elektronik erfolgt über eine auswechselbare Batterie (13) oder einen Akku. Der Füllstand kann an einem Anzeigemodul (14), z. B. einem LCD-Display, angezeigt werden. Hierzu kann der Füllstand z. B. quantisiert in Form verbleibender Tassen, die noch mit dem Kanneninhalt gefüllt werden können, angegeben werden.

Die Elektronik kann mit Hilfe eines im Rumpf (1) befindlichen Reedkontakt (16), der gegenüberliegend zu einem im Behälter deckel angebrachten Permanentmagneten (15) angeordnet ist, ein- bzw. ausgeschaltet werden. Der Permanentmagnet (15) und der Reedkontakt (16) wirken dabei derart zusammen, daß der Reedkontakt (16) geschlossen ist, wenn der Deckel im Schließ zustand ist.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt der Thermoskanne mit dem Trag element (5), der Druckfeder als Lagerelement (6) und den Ringelektroden (8, 9) gezeigt. Es ist ersichtlich, daß das Tragelement (5) beweglich an dem Rumpf (1) zwischen dem Sockelring (11) der Verschlußplatte (10) getragen ist. Der Glaseinsatz (3) der Thermoskanne liegt auf der Verschluß platte (10) auf. Desweiteren ist ein Stellring (17) gezeigt, der in dem die Druckfeder (6) angebracht ist. Der Führungs bolzen (7) gleitet in dem Stellring (17) zwischen der Druck feder (6) und sorgt für eine vertikale Beweglichkeit des Rumpfs (1) in bezug auf das Tragelement (5). Der Stellring (17) ist dabei mit einem Anschlagsring (18) fixiert. Der Führungsbolzen (7) ist an einem konzentrischen Trägerring (19) befestigt, der sich um den gesamten Umfang der Thermos kanne erstreckt. Der Trägerring (19) hat eine ebene, horizon tale Fläche, an dem die erste Ringelektrode angebracht ist. Der Trägerring (19) kann beispielsweise aus Kunststoff ge fertigt sein. Die erste Ringelektrode (8) kann eine darauf geklebte Metallfolie sein. An der unteren horizontalen Ebene des Trägerrings (19) sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, Einkerbungen vorgesehen, um die durch den Trägerring (19) und den Rumpf (1) gebildete parasitäre Kapazität zu minimieren.

Die bewegliche Verbindung des Rumpfes mit dem Tragelement kann durch ein Elastomer ausgeführt werden. Elastomere sind jedoch aufgrund des nichtlinearen Verhältnisses zwischen der Gewichts- und Längenänderung nicht zu bevorzugen. Sie haben außerdem den Nachteil, daß ihre Federeigenschaften tempera turabhängig sind und Alterungserscheinungen, vor allem bei Wechselbeanspruchung unterliegen.

Bevorzugt werden daher Metallfedern eingesetzt, die je nach Konstruktion als Druck- oder Zugfeder ausgeführt sein kann. Metallfedern haben den Vorteil einer linearen Beziehung zwischen Kraft und Längenänderung. Außerdem haben sie ein vorteilhaftes Temperatur- und Langzeitverhalten.

In Fig. 3 ist das Blockschaltbild eines Elektronikmoduls zur Auswertung der Elektrodenkapazität und der sich daraus erge benden Füllmenge gezeigt. Der Sensor, d. h. die aus den Elek troden (8, 9) gebildete Kapazität, ist an einen CF-Converter angeschlossen. Der C/F-Converter bestimmt eine zur Kapazität des Sensors proportionale Frequenz. Hierzu werden die Elek troden, bzw. der durch die Elektroden gebildete Kondensator, mit einem Konstantstrom auf eine erste Referenzspannung auf geladen. Bei Erreichen der ersten Referenzspannung wird der Strom umkehrt, so daß der Kondensator auf eine zweite Refe renzspannung, die geringer als die erste Referenzspannung ist, entladen wird. Der C/F-Converter kann vom Fachmann z. B. mit Schmitt-Triggern sehr einfach realisiert werden. Die Umschaltimpulse, mit denen die Stromumkehr bei Erreichen einer der beiden Referenzspannung gesteuert wird, kann die Frequenz ermittelt werden. Hierzu dient ein Counter Circuit zum Zählen der Impulse in Zeiträumen, die durch ein Gate festgelegt werden. Sowohl das Gate als auch der Counter Circuit werden durch einen Timing Circuit gesteuert. Ein Control Circuit dient dazu, die ermittelte Frequenz in einen zum Füllstand proportionalen Wert umzurechnen. Dieser kann z. B. auf einem Display in Form verbleibender Tassen, die mit dem Inhalt der Thermoskanne noch gefüllt werden können, ange zeigt werden.

Es ist vorteilhaft, optional einen Temperatursensor an die Auswerteschaltung anzuschließen, um die ermittelte Kapazität bei Schwankungen der Umgebungstemperatur zu kompensieren.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung kann der Füll stand drahtlos an eine externe Stelle übermittelt und dort zur Anzeige gebracht werden. Hierzu wird das Meßsignal über ein Sendemodul an dem Behälter auf ein externes Empfangs- und Auswertemodul übertragen. An der externen Stelle wird dann die Auswertung vorgenommen. Indem die Füllstände z. B. an ein Sekretariat gemeldet werden, könnte eine kontinuierliche Ver sorgung mit frischen Getränken z. B. bei Besprechungen ermög licht werden.

Die Erfindung ist nicht nur auf den Einsatz in Thermoskannen beschränkt. Denkbar ist auch die Verwendung bei Gasflaschen, Bierfässern etc.

Bezugszeichenliste

(1) Rumpf
(2) Schraubgewinde
(3) Glaseinsatz
(4) Gummidichtung
(5) Tragelemente
(6) Lagerelement
(7) Führungsbolzen
(8) erste Ringelektrode
(9) zweite Ringelektrode
(10) Verschlußplatte
(11) Sockelring
(12) Elektronikmodul
(13) Batterie
(14) Anzeigemodul
(15) Permanentmagnet
(16) Reedkontakt
(17) Stellring
(18) Anschlagsring
(19) Trägerring.

Claims

1. Behälter mit einer Einrichtung zum Bestimmen der Füllmenge des Behälters, bestehend aus einem Rumpf (1), der Füllgut umschließt, und mindestens einem Element (5) zum Tragen des Rumpfs, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bestimmen der Füllmenge ein Lager element (6), das den Rumpf (1) beweglich an dem Trag element (5) lagert, und zwei Elektroden (8, 9) hat, die an dem Tragelement (5) bzw. dem Rumpf (1) angeordnet sind, wobei die zwei Elektroden (8, 9) derart geformt und auf einander ausgerichtet sind, daß diese eine Kapazität bilden und die Kapazität durch die bewegliche Lagerung des Rumpfs (1) an dem Tragelement (5) proportional zu dem Behältergewicht veränderlich ist.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (6) eine Druckfeder ist.

3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (8) auf einem Träger (19) be festigt ist und der Träger (19) Einkerbungen zwischen der ersten Elektrode (8) und der Trägeroberfläche hat.

4. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Schaltung zur Auswertung der Kapazität der Elektroden (8, 9), bestehend aus einem Modul zur Spannungs- bzw. Strom versorgung der Auswerteschaltung, einem Meßmodul zur Messung der Kapazität des durch die Elektroden (8, 9) gebildeten Kondensators und einem Steuermodul zur Steuerung des Meßmoduls und zur Auswertung des Meßsignals, gekennzeichnet durch ein Meßmodul, welches den Kondensator mit einem Strom auf eine erste Referenzspannung auflädt, den Strom bei Erreichen der ersten Referenzspannung umkehrt, so daß der Kondensator auf eine zweite Referenzspannung, die geringer als die erste Referenzspannung ist, entladen wird, und die Zeit zwischen den Umschaltimpulsen, die bei Erreichen einer der beiden Referenzspannung erzeugt werden, ermittelt, wobei die ermittelte Zeitdauer ein zur Kapazität proportionaler Wert ist.

5. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Schaltung zur Auswertung der Kapazität der Elektroden (8, 9), bestehend aus einem Modul zur Spannungs- bzw. Strom versorgung der Auswerteschaltung, einem Meßmodul zur Messung der Kapazität des durch die Elektroden (8, 9) gebildeten Kondensators und einem Steuermodul zur Steuerung des Meßmoduls und zur Auswertung des Meßsignals, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmodul, welches den Kondensator mit einem Strom auf eine erste Referenzspannung auflädt, den Strom bei Erreichen der ersten Referenzspannung umkehrt, so daß der Kondensator auf eine zweite Referenzspannung, die geringer als die erste Referenzspannung ist, entladen wird, und die Frequenz von Umschaltimpulsen, die bei Erreichen einer der beiden Referenzspannung erzeugt werden, ermittelt, wobei die ermittelte Frequenz ein zur Kapazität proportionaler Wert ist.

6. Behälter nach Anspruch 4 oder 5 mit einem an die Auswerte schaltung angeschlossenen Temperatursensor zur Kompensa tion der ermittelten Kapazität bei Schwankungen der Umge bungstemperatur.

7. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch ein Sendemodul und ein außerhalb des Behälters befindliches Empfangsmodul zur drahtlosen Über tragung des Meßsignals und eine außerhalb des Behälters befindliche Schaltung zur Auswertung des Meßsignals.